Gli ingegneri dell'Università del Delaware hanno dimostrato un modo per catturare efficacemente il 99% dell'anidride carbonica dall'aria utilizzando un nuovo sistema elettrochimico alimentato a idrogeno. Si tratta di un progresso significativo per la cattura dell'anidride carbonica e potrebbe avvicinare al mercato celle a combustibile più rispettose dell'ambiente.
Il team di ricercatori, guidato dal professor Yushan Yan, ha riportato il loro metodo su Nature Energy giovedì 3 febbraio. Le celle a combustibile funzionano convertendo l'energia chimica del combustibile direttamente in elettricità. Possono essere utilizzati nei trasporti per cose come veicoli ibridi o a emissioni zero.
Yan sta lavorando da tempo per migliorare le celle a combustibile a membrana a scambio di idrossido (HEM), un'alternativa economica ed ecologica alle tradizionali celle a combustibile a base acida utilizzate oggi. Ma le celle a combustibile HEM hanno un difetto che le ha tenute lontane dalla strada: sono estremamente sensibili all'anidride carbonica nell'aria. In sostanza, l'anidride carbonica rende difficile per una cella a combustibile HEM respirare.
Questo difetto riduce rapidamente le prestazioni e l'efficienza della cella a combustibile fino al 20%, rendendo la cella a combustibile non migliore di un motore a benzina. Il team di Yan è alla ricerca di una soluzione alternativa per questo problema riguardante l'anidride carbonica da oltre 15 anni. Alcuni anni fa, i ricercatori si sono resi conto che questo svantaggio potrebbe effettivamente essere una soluzione, per la rimozione dell'anidride carbonica.
"Ci siamo resi conto che le celle a combustibile stavano catturando quasi ogni molecola di anidride carbonica che entrava in esse, ed erano davvero bravi a separarlo dal resto", ha dichiarato Brian Setzler, assistente professore per la ricerca in ingegneria chimica e biomolecolare e co-autore dell'articolo.
Anche se questo non è un bene per la cella a combustibile, il team sapeva che se potevano sfruttare questo processo di "auto-spurgo" integrato in un dispositivo separato a monte dello stack di celle a combustibile, avrebbero potuto trasformarlo in un separatore di anidride carbonica.
"Possiamo catturare il 99% dell'anidride carbonica dall'aria in un solo passaggio se abbiamo il giusto design e la giusta configurazione", ha spiegato Yan. Quindi, come hanno fatto? Hanno trovato un modo per incorporare la fonte di energia per la tecnologia elettrochimica all'interno della membrana di separazione. L'approccio prevedeva il cortocircuito interno del dispositivo.
"È rischioso, ma siamo riusciti a controllare questa cella a combustibile in cortocircuito con l'idrogeno. E usando questa membrana interna elettricamente corta, siamo stati in grado di sbarazzarci dei componenti ingombranti, come piastre bipolari, collettori di corrente o qualsiasi filo elettrico che si trova tipicamente in una pila di celle a combustibile", ha dichiarato Lin Shi, un dottorando nel gruppo Yan e autore principale dell'articolo.
Ora, il team di ricerca aveva un dispositivo elettrochimico che sembrava una normale membrana di filtrazione fatta per separare i gas, ma con la capacità di raccogliere continuamente piccole quantità di anidride carbonica dall'aria come un sistema elettrochimico più complicato.
In effetti, l'incorporamento dei fili del dispositivo all'interno della membrana ha creato una scorciatoia che ha reso più facile per le particelle di anidride carbonica viaggiare da un lato all'altro. Ha inoltre permesso al team di costruire un modulo a spirale compatto con un'ampia superficie in un piccolo volume. In altre parole, ora hanno un pacchetto più piccolo in grado di filtrare maggiori quantità di aria alla volta, rendendolo sia efficace che economico per le applicazioni delle celle a combustibile. Nel frattempo, meno componenti significano meno costi e, cosa più importante, hanno fornito un modo per scalare facilmente per il mercato.
I risultati del team di ricerca hanno mostrato che una cella elettrochimica che misura 2 pollici per 2 pollici potrebbe rimuovere continuamente circa il 99% dell'anidride carbonica presente nell'aria che scorre ad una velocità di circa due litri al minuto. Un primo prototipo di dispositivo a spirale delle dimensioni di una lattina di soda da 12 once è in grado di filtrare 10 litri di aria al minuto e di eliminare il 98% dell'anidride carbonica, hanno detto i ricercatori.
Ridimensionato per un'applicazione automobilistica, il dispositivo avrebbe all'incirca le dimensioni di un litro di latte, ha detto Setzer, ma il dispositivo potrebbe essere utilizzato anche per rimuovere l'anidride carbonica altrove. Ad esempio, la tecnologia brevettata UD potrebbe consentire dispositivi di rimozione dell'anidride carbonica più leggeri ed efficienti in veicoli spaziali o sottomarini, dove la filtrazione continua è fondamentale.
"Abbiamo alcune idee per una roadmap a lungo termine che può davvero aiutarci ad arrivarci", ha detto Setzler. Secondo Shi, poiché il sistema elettrochimico è alimentato dall'idrogeno, man mano che l'economia dell'idrogeno si sviluppa, questo dispositivo elettrochimico potrebbe essere utilizzato anche in aerei ed edifici in cui si desidera il ricircolo dell'aria come misura di risparmio energetico. Alla fine di questo mese, dopo la sua difesa della tesi, Shi si unirà a Versogen, una società spin-off UD fondata da Yan, per continuare a far progredire la ricerca verso l'idrogeno verde sostenibile.